等离子喷涂内送粉喷枪的设计及工艺优化

【摘要】热障涂层(ThermalBarrierCoatings,缩写：TBC)能够有效阻止外部环境热量向金属基体传递,是提高燃气涡轮发动机热端部件工作温度的先进技术手段之一。目前,TBC制备工艺主要包括大气等离子喷涂(AtmosphericPlasmaSpraying,缩写：APS)和电子束物理气相沉积(Electron-beamPhysicalVaporDeposition,缩写：EB-PVD)。对于燃气轮机涡轮导向叶片,主要采用大气等离子喷涂7-8wt.%Y2O3部分稳定ZrO2(YttriaPartially-stabilizedZirconia,缩写：YSZ)制备的热障涂层。在YSZ热障涂层批产中,所用等离子喷枪采用外送粉方式,喷涂功率约为45kW,获得的YSZ粉末沉积效率约为40%,导致热障涂层喷涂成本较高。当前,进一步提高YSZ粉末沉积效率和等离子喷枪电能利用率以降低涂层喷涂成本成为热障涂层工业化生产的关键问题,对其在航空领域的应用具有重要意义。采用内送粉方式是提高粉末沉积效率,降低涂层喷涂成本的途径之一。本文通过研究分析内送粉关键技术,提出了一种等离子喷涂内送粉喷枪(文中称为内送粉等离子喷枪)的设计方法。①内送粉喷嘴采用台阶型结构设计,可以适当降低射流速度,有利于将粉末送至射流中心；②送粉孔中心线距离喷嘴出口端面5mm(沿射流逆流方向),既能明显增强颗粒熔化效果,又能避免粉末堵塞喷嘴；③借鉴商用等离子喷枪枪体设计思路,进行气路、水路及密封设计,并通过制定合理的零件机加工原则,保证阴极与阳极喷嘴的同轴度,延长喷嘴及阴极的使用寿命。长时间试验验证表明,设计制造的内送粉等离子喷枪可长时间稳定工作。经历40次循环启弧后,内送粉喷嘴与阴极均无烧蚀,喷嘴及阴极连续工作寿命超过120分钟。在送粉状态下,喷枪连续工作120分钟未出现喷嘴堵塞现象。工艺优化结果表明,电流480A、电压70V、主气流量50L/min、喷涂距离90mm时,制备的YSZ热障涂层结合强度平均值为42.19MPa,1100℃淬水130次后涂层剥落面积约为19.188%,涂层综合性能满足涡轮导向叶片热障涂层技术指标要求,且优于批产YSZ热障涂层性能(涂层结合强度平均值为37.12MPa,1100℃淬水100次后涂层剥落面积约为22.849%)。对比内送粉等离子喷枪与涂层批产用外送粉等离子喷枪制备YSZ热障涂层的喷涂成本,结果如下：①内送粉等离子喷枪喷涂功率33.6kW,粉末沉积效率为56.12%(送粉速率与涂层批产时一致,约为25g/min)；②外送粉等离子喷枪喷涂功率45kW(电流600A、电压75V),粉末沉积效率为47.93%。可见,采用内送粉等离子喷枪电弧功率降低了11.4kW,粉末沉积效率提高了8.19%。综上,本文设计的内送粉等离子喷枪降低了YSZ热障涂层喷涂成本并获得了较优的涂层性能,具有工程化应用价值。
【作者】乔新义；
【导师】汪瑞军；
【作者基本信息】中国农业机械化科学研究院，机械设计及理论，2014，硕士
【关键词】等离子喷涂；内送粉喷枪；热障涂层；喷涂成本；

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